12V 1a smps voeding circuit ontwerp op pcb

Elk elektronisch apparaat of product heeft een betrouwbare voedingseenheid (PSU) nodig om het te bedienen. Bijna alle apparaten in ons huis, zoals tv, printer, muziekspeler enz., Bestaan uit een ingebouwde voedingseenheid die de netspanning omzet in een geschikt niveau van gelijkspanning om te kunnen werken. Het meest gebruikte type voedingscircuit is de SMPS (Switching Mode Power Supply), u kunt dit type circuits gemakkelijk terugvinden in uw 12V-adapter of mobiele / laptop-oplader. In deze tutorial zullen we leren hoe we een 12v SMPS-circuit bouwendat zou wisselstroom omzetten in 12 V DC met een maximale stroomsterkte van 1,25 A. Dit circuit kan worden gebruikt om kleine ladingen van stroom te voorzien of zelfs worden aangepast in een oplader om uw loodzuur- en lithiumbatterijen op te laden. Als dit 12v 15watt voedingscircuit niet aan uw eisen voldoet, kunt u verschillende voedingscircuits met verschillende classificaties controleren.

12v SMPS-circuit - Ontwerpoverwegingen

Voordat u verder gaat met het ontwerpen van een stroomvoorziening, moet een analyse van de vereisten worden uitgevoerd op basis van de omgeving waarin onze stroomvoorziening zal worden gebruikt. Verschillende soorten voedingen werken in verschillende omgevingen en met specifieke input-outputgrenzen.

Invoerspecificatie

Laten we beginnen met de invoer. Een ingangsvoedingsspanning is het eerste dat door de SMPS zal worden gebruikt en zal worden omgezet in een bruikbare waarde om de belasting te voeden. Aangezien dit ontwerp is gespecificeerd voor AC-DC-conversie, is de invoer wisselstroom (AC). Voor India is de AC-ingang beschikbaar in 220-230 volt, voor de VS is deze geschikt voor 110 volt. Er zijn ook andere landen die verschillende spanningsniveaus gebruiken. Over het algemeen werkt SMPS met universele ingangsspanningbereik. Dit betekent dat de ingangsspanning kan verschillen van de 85V AC tot 265V AC. SMPS kan in elk land worden gebruikt en kan een stabiele output van volledige belasting leveren als de spanning tussen 85-265V AC ligt. De SMPS zou ook normaal moeten functioneren onder de 50Hz- en 60Hz-frequentie. Dit is de reden waarom we onze telefoon- en laptopladers in elk land kunnen gebruiken.

Uitgangsspecificatie

Aan de uitgangszijde zijn er maar weinig belastingen resistief, maar weinig inductief. Afhankelijk van de belasting kan de constructie van een SMPS verschillen. Voor deze SMPS wordt aangenomen dat de belasting een ohmse belasting is. Er gaat echter niets boven een resistieve belasting, elke belasting bestaat op zijn minst uit een zekere mate van inductie en capaciteit; hier wordt aangenomen dat de inductantie en capaciteit van de belasting verwaarloosbaar zijn.

De uitgangsspecificatie van een SMPS is in hoge mate afhankelijk van de belasting, zoals hoeveel spanning en stroom er onder alle bedrijfsomstandigheden nodig is voor belasting. Voor dit project zou de SMPS 15W-output kunnen leveren. Het is 12 V en 1,25 A. De beoogde output rimpel wordt geselecteerd als minder dan de 30mV pk-pk bij een bandbreedte van 20.000 Hz.

Op basis van de uitgangsbelasting moeten we ook beslissen tussen het ontwerpen van een constante spanning SMPS of constante stroom SMPS. Constante spanning betekent dat de spanning over de belasting constant zal zijn en de stroom zal dienovereenkomstig worden gewijzigd met de veranderingen in belastingsweerstand. Aan de andere kant zorgt de constante stroommodus ervoor dat de stroom constant is, maar de spanning dienovereenkomstig verandert met de veranderingen in belastingsweerstand. Ook kunnen zowel CV als CC beschikbaar zijn in een SMPS, maar ze kunnen niet in één keer werken. Als beide opties bestaan in een SMPS, moet er een bereik zijn waarin de SMPS zijn uitvoerbewerking zal veranderen van CV naar CC en vice versa. Normaal gesproken worden opladers in de CC- en CV-modus gebruikt om loodzuur- of lithiumbatterijen op te laden.

Functies voor invoer- en uitvoerbeveiliging

Er zijn verschillende beveiligingscircuits die op de SMPS kunnen worden gebruikt voor veiligere en betrouwbare operaties. Het beveiligingscircuit beschermt zowel de SMPS als de aangesloten belasting. Afhankelijk van de locatie kan het beveiligingscircuit over de ingang of over de uitgang worden aangesloten. De meest voorkomende ingang bescherming is tegen stroompieken en EMI filters. Overspanningsbeveiliging beschermt de SMPS tegen ingangspieken of AC-overspanning. EMI-filter beschermt de SMPS tegen EMI-generatie over de invoerlijn. In dit project zullen beide functies beschikbaar zijn. Uitgangsbescherming omvat kortsluitbeveiliging, overspanningsbeveiliging en overstroombeveiliging. Dit SMPS-ontwerp omvat ook al deze beveiligingscircuits.

Selectie van de Power Management IC

Elk SMPS-circuit vereist een energiebeheer-IC, ook wel schakel-IC of SMPS-IC of droger-IC genoemd. Laten we de ontwerpoverwegingen samenvatten om de ideale energiebeheer-IC te selecteren die geschikt is voor ons ontwerp. Onze ontwerpvereisten zijn

15W vermogen. 12 V 1,25 A met minder dan 30 mV pk-pk rimpel bij volledige belasting.
Universele ingangsclassificatie.
Input overspanningsbeveiliging.
Kortsluiting, overspanning en overstroombeveiliging.
Operaties met constante spanning.

Van de bovenstaande vereisten is er een breed scala aan IC's om uit te kiezen, maar voor dit project hebben we Power-integratie geselecteerd. Power Integration is een halfgeleiderbedrijf met een breed scala aan power driver IC's in verschillende vermogensbereikbereiken. Op basis van de vereisten en beschikbaarheid hebben we besloten om de TNY268PN uit de kleine switch II-families te gebruiken.

In de bovenstaande afbeelding wordt het maximale vermogen van 15W weergegeven. We zullen de SMPS echter in het open frame en voor de universele ingangsclassificatie maken. In een dergelijk segment zou TNY268PN 15W-uitvoer kunnen leveren. Laten we het pin-diagram bekijken.

Het ontwerpen van het 12v 1Amp SMPS-circuit

De beste manier om het circuit te bouwen, is door de PI-expertsoftware van Power Integration te gebruiken. Het is uitstekende software voor het ontwerpen van voedingseenheden. Het circuit is geconstrueerd met behulp van Power Integration IC. De ontwerpprocedure wordt hieronder uitgelegd, u kunt ook naar beneden scrollen voor de video waarin hetzelfde wordt uitgelegd.

Stap -1: Selecteer de Tiny switch II en selecteer ook het gewenste pakket. We hebben het DIP-pakket geselecteerd. Selecteer het type behuizing, adapter of open frame. Hier is Open Frame geselecteerd.

Selecteer vervolgens het feedbacktype. Het is essentieel omdat er Flyback-topologie wordt gebruikt. TL431 is een uitstekende keuze voor feedback. TL431 is een shuntregelaar en biedt uitstekende overspanningsbeveiliging en nauwkeurige uitgangsspanning.

Stap 2: Selecteer het ingangsspanningsbereik. Aangezien het een universele ingang SMPS zal zijn, wordt de ingangsspanning geselecteerd als 85-265V AC. Lijnfrequentie is 50 Hz.

Stap 3:

Selecteer de uitgangsspanning, stroom en wattage. De SMPS-classificatie is 12 V 1,25 A. Het wattage is 15W. De bedrijfsmodus is ook geselecteerd als CV, wat betekent dat er een bedrijfsmodus met constante spanning is. Ten slotte wordt alles in drie eenvoudige stappen gedaan en wordt het schema gegenereerd.

12V SMPS schakelschema en uitleg

Het onderstaande circuit is enigszins aangepast om bij ons project te passen.

Laten we, voordat we meteen beginnen met het bouwen van het prototypedeel, het 12v SMPS-schakelschema en de werking ervan bekijken. Het circuit heeft de volgende secties

Bescherming tegen ingangsschommelingen en SMPS-fouten
AC-DC-conversie
PI-filter
Stuurcircuit of schakelcircuit
Bescherming tegen te lage spanning.
Klem circuit
Magnetics en galvanische isolatie
EMI-filter
Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit
Filter sectie
Feedback sectie.

Bescherming tegen ingangsschommelingen en SMPS-fouten

Dit gedeelte bestaat uit twee componenten, F1 en RV1. F1 is een 1A 250VAC trage zekering en RV1 is een 7 mm 275V MOV (Metal Oxide Varistor). Tijdens een hoge spanningspiek (meer dan 275VAC), werd de MOV dood kort en slaat de ingangszekering door. Vanwege de langzame slagfunctie is de zekering echter bestand tegen inschakelstroom door de SMPS.

AC-DC-conversie

Dit gedeelte wordt beheerst door de diodebrug. Deze vier diodes (binnen DB107) vormen een volledige bruggelijkrichter. De diodes zijn 1N4006, maar standaard 1N4007 kan het werk perfect doen. In dit project worden deze vier diodes vervangen door een volledige bruggelijkrichter DB107.

PI-filter

Verschillende staten hebben verschillende EMI-afwijzingsnormen. Dit ontwerp bevestigt de norm EN61000-Klasse 3 en het PI-filter is zo ontworpen dat de common-mode EMI-afwijzing wordt verminderd. Deze sectie is gemaakt met C1, C2 en L1. C1 en C2 zijn 400V 18uF condensatoren. Het is een oneven waarde, dus 22uF 400V is geselecteerd voor deze toepassing. De L1 is een common-mode smoorspoel die een differentieel EMI-signaal nodig heeft om beide te annuleren.

Stuurcircuit of schakelcircuit

Het is het hart van een SMPS. De primaire zijde van de transformator wordt bestuurd door het schakelcircuit TNY268PN. De schakelfrequentie is 120-132 kHz. Door deze hoge schakelfrequentie kunnen kleinere transformatoren worden gebruikt. Het schakelcircuit heeft twee componenten, U1 en de C3. U1 is de belangrijkste driver IC TNY268PN. De C3 is de bypass-condensator die nodig is voor de werking van ons driver-IC.

Bescherming tegen te lage spanning

Bescherming tegen onderspanning wordt uitgevoerd door de meetweerstand R1 en R2. Het wordt gebruikt wanneer de SMPS in de automatische herstartmodus gaat en de netspanning detecteert.

Klem circuit

D1 en D2 zijn het klemcircuit. D1 is de TVS-diode en D2 is een ultrasnelle hersteldiode. De transformator fungeert als een enorme inductor over de power driver IC TNY268PN. Daarom veroorzaakt de transformator tijdens de uitschakelcyclus hoge spanningspieken als gevolg van de lekinductie van de transformator. Deze hoogfrequente spanningspieken worden onderdrukt door de diodeklem over de transformator. UF4007 is geselecteerd vanwege het ultrasnelle herstel en P6KE200A is geselecteerd voor de TVS-bewerking.

Magnetics en galvanische isolatie

De transformator is een ferromagnetische transformator en zet niet alleen de hoogspanning wisselstroom om naar een laagspanning wisselstroom, maar zorgt ook voor galvanische isolatie.

EMI-filter

EMI-filtering wordt gedaan door de C4-condensator. Het verhoogt de immuniteit van het circuit om de hoge EMI-interferentie te verminderen.

Secundaire gelijkrichter en snubbercircuit

De output van de transformator wordt gelijkgericht en omgezet in DC met behulp van D6, een Schottky-gelijkrichterdiode. Het snubbercircuit over de D6 zorgt voor onderdrukking van de spanningsovergang tijdens schakelhandelingen. Het snubbercircuit bestaat uit een weerstand en een condensator, R3 en C5.

Filter sectie

Het filtersectie bestaat uit een filtercondensator C6. Het is een lage ESR-condensator voor een betere rimpelonderdrukking. Ook zorgt een LC-filter met L2 en C7 voor een betere rimpelonderdrukking over de uitvoer.

Feedback sectie

De uitgangsspanning wordt gedetecteerd door de U3 TL431 en R6 en R7. Nadat de lijn U2 is gedetecteerd, wordt de optocoupler bestuurd en wordt het secundaire feedback-detectiegedeelte galvanisch geïsoleerd met de primaire zijcontroller. De Optocoupler heeft een transistor en een LED erin. Door de LED aan te sturen, wordt de transistor aangestuurd. Omdat de communicatie optisch verloopt, heeft het geen directe elektrische verbinding en voldoet daarom ook aan de galvanische isolatie op het feedbackcircuit.

Nu de LED de transistor rechtstreeks bestuurt, door voldoende voorspanning over de optocoupler-LED te geven, kan men de optocoupler-transistor, meer specifiek het stuurcircuit, besturen. Dit regelsysteem wordt gebruikt door de TL431.Aangezien de shuntregelaar een weerstandsverdeler over zijn referentiepen heeft, kan hij de optocoupler-led aansturen die erop is aangesloten. De feedbackpin heeft een referentiespanning van 2,5V. Daarom kan de TL431 alleen actief zijn als de spanning over de verdeler voldoende is. In ons geval is de spanningsdeler ingesteld op een waarde van 12V. Daarom, wanneer de output 12V bereikt, krijgt de TL431 2,5V over de referentiepin en activeert zo de optocoupler's LED die de transistor van de optocoupler bestuurt en indirect de TNY268PN aanstuurt. Als de spanning over de uitgang niet voldoende is, wordt de schakelcyclus onmiddellijk onderbroken.

Ten eerste activeert de TNY268PN de eerste schakelcyclus en detecteert vervolgens zijn EN-pin. Als alles in orde is, zal het doorgaan met overschakelen, zo niet, dan zal het het soms nog een keer proberen. Deze lus wordt voortgezet totdat alles normaal wordt, waardoor problemen met kortsluiting of overspanning worden voorkomen. Dit is de reden waarom het flyback-topologie wordt genoemd, omdat de uitgangsspanning wordt teruggevlogen naar de bestuurder voor detectie-gerelateerde bewerkingen. Ook wordt de try-lus een hiccup- werkingsmodus genoemd op de foutconditie.

De D3 is een Schottky-barrièrediode. Deze diode zet de hoogfrequente wisselstroomuitgang om in gelijkstroom. 3A 60V Schottky-diode is geselecteerd voor betrouwbare werking. R4 en R5 worden geselecteerd en berekend door de PI Expert. Het creëert een spanningsdeler en geeft de stroom door aan de Optocoupler LED van de TL431.

R6 en R7 is een eenvoudige spanningsdeler berekend met de formule TL431 REF-spanning = (Vuit x R7) / R6 + R7. De referentiespanning is 2,5V en de Vout is 12V. Door de waarde van R6 23,7k te selecteren, werd de R7 ongeveer 9,09k.

Fabricage PCB voor 12v 1A SMPS-circuit

Nu we begrijpen hoe de schema's werken, kunnen we doorgaan met het bouwen van de PCB voor onze SMPS. Aangezien dit een SMPS-circuit is, wordt een PCB aanbevolen, omdat deze problemen met ruis en isolatie kan oplossen. De PCB-layout voor het bovenstaande circuit is ook beschikbaar om te downloaden als Gerber via de link

Download Gerber-bestand voor 15W SMPS-circuit

Nu ons ontwerp klaar is, is het tijd om ze te laten fabriceren met behulp van het Gerber-bestand. Om de printplaat klaar te krijgen, is het vrij eenvoudig, volg gewoon de onderstaande stappen

Stap 1: Ga naar www.pcbgogo.com, meld u aan als dit de eerste keer is. Voer vervolgens op het tabblad PCB Prototype de afmetingen van uw PCB, het aantal lagen en het aantal PCB's dat u nodig heeft in. Ervan uitgaande dat de printplaat 80 cm x 80 cm is, kunt u de afmetingen instellen zoals hieronder weergegeven.

Stap 2: Ga verder door op de knop Nu citeren te klikken. U wordt naar een pagina geleid waar u indien nodig enkele aanvullende parameters kunt instellen, zoals het gebruikte materiaal voor de spoorafstand enz. Maar meestal werken de standaardwaarden prima. Het enige waar we hier rekening mee moeten houden, is de prijs en tijd. Zoals je kunt zien, is de bouwtijd slechts 2-3 dagen en kost het slechts $ 5 voor onze PSB. U kunt vervolgens een gewenste verzendmethode selecteren op basis van uw vereisten.

Stap 3: De laatste stap is om het Gerber-bestand te uploaden en door te gaan met de betaling. Om ervoor te zorgen dat het proces soepel verloopt, controleert PCBGOGO of uw Gerber-bestand geldig is alvorens verder te gaan met de betaling. Zo weet u zeker dat uw printplaat fabricagevriendelijk is en u als toegewijd zult bereiken.

De printplaat in elkaar zetten

Nadat het bord was besteld, bereikte het me na een paar dagen via een koerier in een keurig geëtiketteerde, goed verpakte doos en zoals altijd was de kwaliteit van de PCB geweldig. De door mij ontvangen printplaat ziet u hieronder

Ik zette mijn soldeerstaaf aan en begon het bord te monteren. Omdat de Footprints, pads, via's en zeefdruk perfect de juiste vorm en maat hebben, had ik geen probleem met het monteren van het bord. Mijn printplaat die op de soldeerklem is geklemd, wordt hieronder weergegeven.

Inkoop van componenten

Alle componenten voor dit 12v 15w SMPS-circuit worden aangeschaft volgens het schema. De gedetailleerde stuklijst is te vinden in het onderstaande Excel-bestand om te downloaden.

15W SMPS-ontwerp - stuklijst

Bijna alle componenten zijn direct beschikbaar om uit de winkel te worden gebruikt. Het kan zijn dat u problemen ondervindt bij het vinden van de juiste transformator voor dit project. Normaal gesproken is voor een SMPS-circuit schakelende flyback-transformator niet rechtstreeks verkrijgbaar bij de leveranciers, in de meeste gevallen moet u uw eigen transformator opwinden als u efficiënte resultaten nodig hebt. Het is echter ook prima om een vergelijkbare flyback-transformator te gebruiken en uw circuit zal nog steeds werken. De ideale specificatie voor onze transformator wordt geleverd door de PI Expert-software die we eerder gebruikten.

Het mechanische en elektrische schema van de transformator verkregen van PI Expert wordt hieronder weergegeven.

Als u de juiste leverancier niet kunt vinden, kunt u een transformator redden van een 12V-adapter of andere SMPS-circuits. Als alternatief kunt u ook uw eigen transformator kopen met behulp van de volgende materialen en wikkelinstructie.

Zodra alle componenten zijn aangeschaft, moet het monteren ervan eenvoudig zijn. U kunt het Gerber-bestand en de stuklijst gebruiken ter referentie en de printplaat monteren. Eenmaal gedaan ziet mijn PCB voorkant en achterkant er ongeveer zo uit als hieronder

Ons 15W SMPS-circuit testen

Nu ons circuit klaar is, is het tijd om er een ritje mee te maken. We zullen het bord via een VARIAC op ons wisselstroomnet aansluiten en de uitgangszijde met een laadmachine laden en de rimpelspanning meten om de prestaties van ons circuit te controleren. Een video over de volledige testprocedure is ook te vinden aan het einde van deze pagina. De onderstaande afbeelding toont het circuit dat is getest met een AC-ingangsspanning van 230V AC waarvoor we een output van 12,08V krijgen

Rimpelspanning meten met oscilloscoop

Om de rimpelspanning met een oscilloscoop te meten, wijzigt u de ingang van de scoop naar AC met een versterking van 1x. Sluit vervolgens een laagwaardige elektrolytische condensator en een laagwaardige keramische condensator aan om ruisverminderingen door bedrading op te vangen. U kunt pagina 40 van dit RDR-295-document van Power Integration raadplegen voor meer informatie over deze procedure.

De onderstaande momentopname is gemaakt in onbelaste toestand op zowel 85VAC als 230VAC. De schaal is ingesteld op 10mV per divisie en zoals je kunt zien is de rimpel bijna 10mV pk-pk.

Bij 90VAC-ingang en bij volledige belasting is de rimpel te zien bij ongeveer 20mV pk-pk

In 230VAC en op volledige belasting wordt de rimpelspanning gemeten rond de 30mV pk-pk, wat het slechtste scenario is

Dat is het; zo kun je je eigen 12v SMPS-circuit ontwerpen. Als u eenmaal de werking heeft begrepen, kunt u het 12v SMPS-schakelschema aanpassen aan uw spannings- en stroomvereisten. Ik hoop dat je de tutorial hebt begrepen en het leuk vond om iets nuttigs te leren. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in het commentaargedeelte of gebruik onze forums voor technische discussies. Ik zal je weer ontmoeten met een ander interessant SMPS-ontwerp, tot dan afmelden….